三、數(shù)字孿生是軟件定義制造實現(xiàn)的支撐

毫無疑問，自動化技術是智能制造發(fā)展的重要支撐技術之一。無可質(zhì)疑，很多企業(yè)將自動化線建設視為智能制造的重要抓手。并且涌現(xiàn)出了一些“黑燈生產(chǎn)”、“無人工廠”的示范案例。本質(zhì)上，或者大多數(shù)情況下，我們所說的自動線，更多的體現(xiàn)為物流周轉基礎上的聯(lián)動動作時序的協(xié)調(diào)，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動作序列約束下運行的生產(chǎn)線。傳統(tǒng)的自動線是通過PLC梯形程序進行控制，或者通過專門的工控軟件進行控制，不僅控制正常的流程，也應該具有一定程度的異常處理控制能力。

因此，結合目前很多企業(yè)在上馬自動化線或已經(jīng)建成自動化線的局面下，如何進行智能化提升，也是不得不和必須面對的問題，而這個過程其實與數(shù)字孿生也是不謀而合的。本部分從兩個方面論述：一是德國工業(yè)4．0關于自動化柔性線的智能管控思路；二是融合APS的自動化柔性線智能提升步驟。

（1）德國工業(yè)4．0關于自動化柔性線的管控思路

在數(shù)字車間這個方面，德國工業(yè)4．0其實早就提出了這方面的理念，這種理念的核心含義就是軟件定義制造，其手段主要是通過將物理實體或者物理生產(chǎn)線當中的每一個硬件實體，都抽離與其相對應的軟件AGENT或者SERVICE，所謂的智能管控，就是對這些硬件資源的運行進行配置形成“務聯(lián)網(wǎng)”，是服務的“務”而不是物體的“物”，“物聯(lián)”只是最終的表現(xiàn)形式，其背后是通過“務聯(lián)”實現(xiàn)業(yè)務的有序運轉。

圖1是德國工業(yè)4．0的典型資料圖片，其所表達的含義是生產(chǎn)線中所有的硬件單元都有對應的軟件形式的服務，比如傳感器服務、控制服務、通訊服務、校驗服務、信息服務等，整個CPS網(wǎng)絡系統(tǒng)就是一個服務連接網(wǎng)絡，具有“服務聯(lián)網(wǎng)”的概念，這些服務有層次并且能夠動態(tài)組合配置。所謂的智能管控，體現(xiàn)為硬件資源的離散化，通過服務化封裝，實現(xiàn)業(yè)務資源鏈條的重構與控制，并可以進一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。其中如圖1所示的生產(chǎn)線中的各種傳感器、泵、閥、控制器、通訊裝置等都有與其相對應的服務，而這種服務其實就是直接面對硬件資源的數(shù)字孿生，在此基礎上構建的服務層級或者服務網(wǎng)絡或者服務鏈條（ERP或MES的新型式），其實都是對數(shù)字孿生的進一步深入應用，其目的是支持實現(xiàn)自動化＋柔性的智能制造新局面。

圖1 德國工業(yè)4．0關于自動化柔性線的管控思路

（2）融合APS的自動化柔性線智能提升步驟

德國工業(yè)4．0所宣傳自動化柔性線智能管控的核心是實現(xiàn)資源的柔性配置，而這種配置的手段就是面向智能制造的APS的重要發(fā)展方向。融合APS的自動化柔性線智能提升步驟如下所述。

l  提升自動線構成要素裝置的CPS獨立控制能力：對于自動化產(chǎn)線線而言，一般都是連續(xù)的沒有間斷的按照時序執(zhí)行動作。但這些動作時序的執(zhí)行，也是需要依靠一些構成要素裝置的，比如閥、泵等，或者是各種集成程度的獨立裝置等。對這些要素按照能夠狀態(tài)反饋、指令執(zhí)行的方式，進行改造和提升，為后續(xù)的智能化柔性控制提供支持。

l  支持任何構成要素裝置的必要性聯(lián)動控制能力：這種聯(lián)動控制并不是限定自動化產(chǎn)線中某兩個裝置的固定時序，其核心目的是增加柔性，目標是自動線上任何需要建立關聯(lián)的構成要素裝置能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動控制。這方面的分析可以從產(chǎn)品的工藝流程角度入手，按照生產(chǎn)過程中各個構成要素裝置時序關系進行分析。

l  以產(chǎn)品性能保證為核心的工藝知識沉淀及物化能力：產(chǎn)線對產(chǎn)品性能保證的技術提升無止境的，根據(jù)需要可以分析產(chǎn)品的性能指標的保證機制，比如引入機器視覺、比如引入自適應加工等，豐富自動線運行的知識基礎上的智能化內(nèi)涵。

l  多產(chǎn)品混線生產(chǎn)的關聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力：只有當自動線能夠支持多產(chǎn)品混線生產(chǎn)，自動線能夠提供柔性的關聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力，才能說這條線具有智能的味道。比如自動數(shù)控加工線，可以自動的獲取狀態(tài)并進行分析，可以下發(fā)指令進行硬件裝置的工作參數(shù)調(diào)整；比如自動數(shù)控加工線，根據(jù)需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數(shù)控程序；比如不同產(chǎn)品的工藝流程不同，可以通過柔性的聯(lián)動控制，實現(xiàn)生產(chǎn)路徑的快速轉換，以及不同品種產(chǎn)品在自動線上的混流交叉生產(chǎn)。

l  基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制：如果自動線只是生產(chǎn)一種產(chǎn)品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動作指令序列而已。但如果自動線是多品種混線的，則動作指令序列將具有復雜的組合聯(lián)調(diào)配置要求。如果這種組合判斷比較簡單，可以通過PLC或工控軟件來實現(xiàn)。但如果這種組合判斷比較復雜，尤其是加入了智能化體現(xiàn)的分析、推理、決策等內(nèi)容，單純的狀態(tài)0－1式或閾值式判斷將無法滿足需求，需要引入復雜軟件系統(tǒng)的形式進行控制，才能滿足需求。并且，這種復雜軟件控制系統(tǒng)，面對多產(chǎn)品混流生產(chǎn)的復雜的生產(chǎn)過程，將是目前傳統(tǒng)的APS向軟硬一體化緊密關聯(lián)協(xié)調(diào)控制的重要轉變和發(fā)展方向。